火災(zāi)及可燃性氣體、有毒氣體監(jiān)控系統(tǒng)(F&Gs)是一種能為火災(zāi)探測(cè)器供電、接收、顯示和傳遞火災(zāi)報(bào)警等信號(hào)，并能對(duì)自動(dòng)消防等裝置發(fā)出控制信號(hào)的報(bào)警裝置系統(tǒng)。在一個(gè)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中，火災(zāi)探測(cè)器是系統(tǒng)的“感覺(jué)器官”，隨時(shí)監(jiān)視著周?chē)h(huán)境的情況；而火災(zāi)報(bào)警控制器，則是該系統(tǒng)的“軀體”和“大腦”，是系統(tǒng)的核心。它的主要作用是供給火災(zāi)探測(cè)器高穩(wěn)定的直流電源；監(jiān)視連接各火災(zāi)探測(cè)器的傳輸導(dǎo)線(xiàn)有無(wú)斷線(xiàn)故障；保證火災(zāi)探測(cè)器長(zhǎng)期、穩(wěn)定、有效地工作。當(dāng)火災(zāi)探測(cè)器探測(cè)到火災(zāi)后，能接受火災(zāi)探測(cè)器發(fā)來(lái)的報(bào)警信號(hào)，迅速、正確地進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，并以聲光報(bào)警形式，指示火災(zāi)發(fā)生的具體部位，以便及時(shí)采取有效的處理措施。
F&Gs通常具有以下特征。
• 獨(dú)立于其他控制系統(tǒng)；
• 是一套硬件冗余的系統(tǒng)，單點(diǎn)故障不會(huì)導(dǎo)致停車(chē)；
• 能夠帶電熱插拔卡件；
• 具有全面的在線(xiàn)自診斷并帶有故障報(bào)警指示；
• 系統(tǒng)是故障安全型的,安全等級(jí)要求SIL1-SIL3；
• 具有相當(dāng)快的掃描時(shí)間；
• 在線(xiàn)修改下裝功能；
• 在線(xiàn)對(duì)點(diǎn)的強(qiáng)制功能；
• 下裝前的離線(xiàn)仿真及比較功能；
• 嚴(yán)格的版本記錄功能；
• 具有 SOE 事件順序紀(jì)錄功能；
由于故障安全系統(tǒng)與普通PLC 相比具有診斷率高, 可靠性高并符合相應(yīng)的SIL 等級(jí)要求等特點(diǎn), 因而越來(lái)越多的用于F&G，對(duì)于所有的安全系統(tǒng)來(lái)講都應(yīng)該受到以下條件的約束：
• 安全停車(chē) - 一個(gè)安全系統(tǒng)應(yīng)該在其降級(jí)的情況下，在超過(guò)限定的時(shí)間時(shí)使其控制的生產(chǎn)過(guò)程安全的停下來(lái)；
• 響應(yīng)時(shí)間和掃描時(shí)間 - 掃描時(shí)間應(yīng)該低于響應(yīng)時(shí)間的50%；
• 強(qiáng)制點(diǎn)報(bào)警 - 一個(gè)安全系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)不應(yīng)該有點(diǎn)被強(qiáng)制，除非有特殊原因，所以，安全系統(tǒng)必須配有點(diǎn)的強(qiáng)制報(bào)警；
• 輸出表決診斷 - 一個(gè)安全系統(tǒng)的輸出表決不應(yīng)該被強(qiáng)制；
• 主從MODBUS功能 - 關(guān)鍵點(diǎn)不能通過(guò) MODBUS 通訊來(lái)傳送，MODBUS傳送的那些點(diǎn)都應(yīng)該是非關(guān)鍵點(diǎn)；
• 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊 - 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊可以用來(lái)傳送關(guān)鍵信號(hào)，但是新數(shù)據(jù)的更新必須在規(guī)定時(shí)間才有效，此時(shí)間通常為生產(chǎn)過(guò)程容許時(shí)間的 50% ，如果在此時(shí)間內(nèi)無(wú)數(shù)據(jù)更新，接收端應(yīng)該采取事先約定動(dòng)作；
隨著電子技術(shù)的發(fā)展和國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)的更新和完善, 基本過(guò)程控制和安全儀表系統(tǒng)(或F&Gs)也由過(guò)去的完全相互獨(dú)立設(shè)置逐步走向相互融合。基本過(guò)程控制和安全儀表系統(tǒng)(或F&Gs)通常有三種組合方式
1.傳統(tǒng)的接口方式
基本過(guò)程控制系統(tǒng)(BPCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS) (或F&Gs)的硬件和軟件完全相互獨(dú)立(控制站,工程師站等),采用通信接口的方式將部分SIS(或F&Gs) 數(shù)據(jù)傳送到BPCS 的人機(jī)界面上顯示。
2.集成的方式
BPCS和SIS(或F&Gs)在控制站層面上完全相互獨(dú)立,但采用共用的工程師站進(jìn)行組態(tài)下裝和系統(tǒng)維護(hù),采用公用的人機(jī)界面進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。
3.共用的方式
一套系統(tǒng)同時(shí)滿(mǎn)足基本過(guò)程控制和安全控制功能, BPCS和SIS(或F&Gs)在功能上完全相獨(dú)立, 硬件和軟件上相對(duì)獨(dú)立。
SIMATIC S7-400FH可提供以上三種組合方式, 既可以做為獨(dú)立的SIS(或F&Gs) 系統(tǒng)使用,通過(guò)Modbus, Profibus, Ethernet(OPC)等方式與第三方過(guò)程控制系統(tǒng)進(jìn)行通信,又可以無(wú)縫集成到SIMATIC PCS中。
SIMATIC PCS7是基于全集成自動(dòng)化的現(xiàn)代過(guò)程控制系統(tǒng)，其中集成了過(guò)程工業(yè)所需的連續(xù)控制，邏輯，批處理及故障安全的全部功能。根據(jù)ARC 的調(diào)查報(bào)告，SIMATIC PCS 7 符合其CPAS 結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)景及ISA-88和ISA-95等標(biāo)準(zhǔn)的單一自動(dòng)化環(huán)境。其無(wú)縫集成安全儀表系統(tǒng)（SIS）的創(chuàng)新技術(shù)，使其成為新一代過(guò)程控制系統(tǒng)的典范，其中集成的S7-400FH 安全系統(tǒng)符合IEC 61508(SIL 3)和IEC 61511等國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)，并已廣泛應(yīng)用于緊急停車(chē)系統(tǒng)（ESD）、火災(zāi)及有毒有害氣體監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)（F&G,NFPA 72）、燃燒管理系統(tǒng)（BMS NFPA 85）、和關(guān)鍵設(shè)備控制等。
SIMATIC PCS7的安全集成設(shè)計(jì)為面向未來(lái)的工廠(chǎng)提供了靈活的解決方案。基于內(nèi)部Profisafe 通信機(jī)理，可以將標(biāo)準(zhǔn)功能和故障安全功能集成在一個(gè)控制器中，也可以將它們放在不同的控制器中，可以將分布式的I/O模件，包括標(biāo)準(zhǔn)模件和故障安全模件，集成在一個(gè)站中，也可以分開(kāi)安裝和擴(kuò)展（見(jiàn)圖-1），其中SIS (或F&Gs)功能由SIMATIC S7-400FH實(shí)現(xiàn)。
(圖-1)
將安全功能集成到SIMATIC PCS 7 過(guò)程控制系統(tǒng)中，具有以下優(yōu)勢(shì)：
·共用一個(gè)工程組態(tài)系統(tǒng)完成標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用和安全應(yīng)用
·在SIMATIC PCS 7的安全控制器(AS)中集成安全控制策略
·在SIMATIC PCS 7的操作員站(OS)中，集成有過(guò)程值的用戶(hù)友好界面
·將帶時(shí)間標(biāo)簽的故障信息，自動(dòng)集成到過(guò)程可視畫(huà)面中
·不需要傳統(tǒng)的DCS與 SIS(或F&Gs)之間復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理
·節(jié)省成本、空間和安裝費(fèi)用。
過(guò)程工業(yè)的不允許存在任何安全薄弱環(huán)節(jié)。為了保護(hù)人員、設(shè)備及環(huán)境，將風(fēng)險(xiǎn)最小化，不僅需要可靠的過(guò)程工業(yè)的安全技術(shù)，安全管理和合格的人員也是安全生命周期(Safety Lifecycle)的必要條件，并保證從規(guī)范到執(zhí)行的全過(guò)程的安全要求（見(jiàn)圖-3），SIMATIC PCS7的SIS解決方案中的安全矩陣Safety Matrix（圖-4），提供了從安裝調(diào)試到操作和維護(hù)以及投運(yùn)后修改過(guò)程的安全生命周期工具。
SIMATIC Safety Matrix 功能簡(jiǎn)述:
·用已知的原因/結(jié)果方式組態(tài)安全 (邏輯)功能，例如，基于過(guò)程事件和過(guò)程反應(yīng)來(lái)組態(tài)
·自動(dòng)生成相關(guān)的STEP®程序
·通過(guò)簡(jiǎn)易和透明的組態(tài)，將故障源降至最低
·安全組態(tài)檢閱后，自動(dòng)產(chǎn)生文檔資料
·無(wú)需專(zhuān)門(mén)的編程知識(shí)，縮短組態(tài)時(shí)間
·在SIMATIC PCS 7的操作員站上, 自動(dòng)生成可視化及用戶(hù)友好的安全矩陣界面
·自動(dòng)管理程序的項(xiàng)目版本
·跟蹤修改方便
·進(jìn)行安全功能的直接修改，具有輕松方便的測(cè)試模式，以及旁路、復(fù)位和跳過(guò)等功能
SIMATIC S7-400FH的冗余容錯(cuò)性可確保系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)最少的非計(jì)劃停車(chē)，從而使相關(guān)的成本最低化，故障安全模塊內(nèi)置的完全冗余設(shè)計(jì)及自診斷功能，能對(duì)內(nèi)部及外部的故障進(jìn)行快速而有效的診斷，其創(chuàng)新的靈活的模塊冗余（FMR）方式，可根據(jù)具體要求針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行裝置進(jìn)行單模塊、雙模塊和三重化模塊配置，完成安全規(guī)范IEC61511中的安全儀表（SIF）功能。
中石油大連石化分公司加工高含硫原油技術(shù)改造工程由8套裝置（聯(lián)合裝置）構(gòu)成，這8套裝置（聯(lián)合裝置）是：
² 1000X104t/a常減壓蒸餾裝置（含輕烴回收單元、石腦油加氫裝置）
² 300X104t/a渣油加氫脫硫裝置
² 360X104t/a加氫裂化裝置
² 220X104t/a連續(xù)重整裝置
² 400X104t/a直餾柴油加氫精制裝置
² 3X9X104t/a硫磺回收裝置
² 2X10X104m3n/h制氫裝置
² 200X104t/a煤、柴油加氫精制裝置
² 公用工程、儲(chǔ)運(yùn)工程
² 中間罐區(qū)
在該工程F&G系統(tǒng)中，F&Gs機(jī)柜間分布在不同的地理位置，F&Gs的設(shè)置按如下原則：
F&Gs01---管控中心、1000X104t/a常減壓蒸餾裝置（含輕烴回收單元石腦油加氫裝置）、中間罐區(qū)、新區(qū)管控中心設(shè)置一套F&Gs系統(tǒng)。
F&Gs02---220X104t/a連續(xù)重整裝置單獨(dú)設(shè)置一套F&Gs系統(tǒng)。
F&Gs03---360X104t/a加氫裂化裝置和2X10X104m3n/h制氫裝置、400X104t/a直餾柴油加氫精制裝置、200X104t/a煤、柴油加氫精制裝置設(shè)置一套F&Gs 系統(tǒng)。
F&Gs04---300X104t/a渣油加氫脫硫裝置、3X9X104t/a硫磺回收裝置（含尾氣處理、酸性水汽提及胺再生）設(shè)置一套F&Gs 系統(tǒng)
該項(xiàng)目為了免于火災(zāi)和有毒，有害，可燃?xì)怏w的威脅，保護(hù)系統(tǒng)要求很高的可用率和可靠性。系統(tǒng)要求通過(guò)在線(xiàn)更換有故障的模件實(shí)現(xiàn)高可可用率。各個(gè)模件，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)線(xiàn)和傳感器的故障都要求通過(guò)內(nèi)置的診斷供能來(lái)自動(dòng)檢測(cè)，氣體檢測(cè)器的模擬信號(hào)都直接與控制器相連。
考慮盡可能節(jié)約成本。根據(jù)對(duì)SIEMENS S系統(tǒng)的了解，我們提供如下方案：
在這個(gè)方案中，每個(gè)F&Gs系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分：
· 監(jiān)視站，安裝在新區(qū)管控中心。
· 工程師站，安裝在新區(qū)管控中心。
· 故障安全控制器AS417FH，安裝在新區(qū)管控中心。
在本方案中采用西門(mén)子快速交換式工業(yè)以太網(wǎng)(100Mbps)作為連接操作員站、工程師和自動(dòng)化系統(tǒng)站的系統(tǒng)總線(xiàn)。
快速交換式工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議基礎(chǔ)上，將通信速率提高到了100Mbps。由于采用了全雙工并行(FDX)通信模式，允許站點(diǎn)同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通信速率可提高一倍。SIMATIC NET 在快速以太網(wǎng)上 還采用 了交換技術(shù)，利用西門(mén)子自行開(kāi)發(fā)的交換機(jī)模塊將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成若干子網(wǎng)，每個(gè)子 網(wǎng)都可以獨(dú)立的形成一個(gè)數(shù)據(jù)通信段，可以大大的提高通信效率。由于普通以太網(wǎng)網(wǎng)段上數(shù)據(jù)通信阻塞的存在，使得實(shí)際通信效率只有40%，采用了全雙工并行通信技術(shù)和交換技術(shù)后，使得網(wǎng)絡(luò)通信能力得以充分的利用。
基于控制器AS 417 FH 的故障安全自動(dòng)化系統(tǒng)（F/FH 系統(tǒng)）將標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行控制器和安全技術(shù)集成在了一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)之中。該系統(tǒng)已經(jīng) TÜV 認(rèn)證，可以滿(mǎn)足安全要求 SIL 1 至 SIL 3，符合標(biāo)準(zhǔn) IEC 61508，安全等級(jí) AK1 至 AK 6，符合標(biāo)準(zhǔn) DIN V 19250/DIN V VDE 0801 以及安全分類(lèi) 2 至 4 符合標(biāo)準(zhǔn) EN 954-1。通過(guò)各種不同的冗余指令編輯，由用戶(hù)在 CFC 中組態(tài)的安全功能將在一個(gè) CPU 的不同過(guò)程部分執(zhí)行兩次。有些錯(cuò)誤可以在繼后的結(jié)果比較時(shí)識(shí)別出來(lái)。
SIMATIC S7-400FH 在保證安全性的同時(shí)提供多點(diǎn)容錯(cuò)功能，可最大限度地滿(mǎn)足用戶(hù)的可應(yīng)用性要求，內(nèi)部開(kāi)放的Profisafe 通信協(xié)議為SIS 系統(tǒng)的數(shù)字化和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
SIEMENS獨(dú)有的反編碼技術(shù)故障安全CPU , PROFIsafe 通信, 內(nèi)置雙處理器的智能故障安全I/O 模件使得由單個(gè)CPU, 單路總線(xiàn)和單路I/O 模件構(gòu)成的單系統(tǒng)即可滿(mǎn)足IEC61508 SIL3 (DIN AK6) 的安全等級(jí)要求。
PROFI safe 標(biāo)準(zhǔn)故障安全通信協(xié)議是目前世界上唯一通過(guò)德國(guó)BIA-聯(lián)邦勞動(dòng)安全研究所和TÜV-德國(guó)技術(shù)監(jiān)督聯(lián)合會(huì)認(rèn)證的故障安全通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以SIEMENS 為首的二十五家世界知名企業(yè)參予了PROFI safe 應(yīng)用行規(guī)的制訂和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。PROFI safe的誕生 標(biāo)志著故障安全通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放化的歷史性進(jìn)展, 為不同廠(chǎng)家的故障安全產(chǎn)品( 包括: 控制系統(tǒng),總線(xiàn)設(shè)備, 現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)提供了相同的通信平臺(tái)
ET200M分布式I/O站除了具有可靠性高、組態(tài)靈活、使用方便、分布安裝及性能價(jià)格比高等特點(diǎn)外，更重要的是，它選用了專(zhuān)用的有源背板總線(xiàn)，使得ET200M分布式I/O站的所有模塊都能夠在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可以進(jìn)行帶電熱插拔。因此，它具有很好的在線(xiàn)維護(hù)性。
故障安全I/O模件內(nèi)置雙路處理器(電路示意圖見(jiàn)下)及診斷電路保證了卡件任何的軟硬件故障均可診斷出來(lái), 診斷率高達(dá)99.9%
創(chuàng)新的SIMATIC S7-400FH 及SIMATIC PCS 7 安全集成技術(shù)由西門(mén)子于1999年推出以來(lái)，已在全球范圍的各個(gè)行業(yè)如石油化工，化工，制藥，電力，冶金，礦業(yè)，輕工等取得了廣泛的應(yīng)用。本文僅對(duì)西門(mén)子SIMATIC安全集成技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，我們希望隨著用戶(hù)對(duì)SIEMENS PCS7 FH系統(tǒng)的任知，該系統(tǒng)在中國(guó)能夠得到更快的發(fā)展。